異步串行通信協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)

引言
     在單片機控制系統(tǒng)中，CPU和外部通信主要有兩種方 式：并行通信和串行通信。并行通信，即數(shù)據(jù)的各位同時傳 送；串行通信，即數(shù)據(jù)按位次序傳送。串行通信能夠節(jié)省傳 輸線，特別是數(shù)據(jù)位數(shù)很多和傳輸距離較遠時，這一優(yōu)點更 為突出。現(xiàn)在流行的高級語言一般都支持對串口直接操作， 常用的單片機也把串行通訊口作為一個標準接口集成在單片 機內(nèi)，串行通訊接口的開發(fā)具有開發(fā)周期短、開發(fā)簡單等特 點。目前異步串行通信已廣泛用于微機之間的通信、工業(yè)控 制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與控制、遠程數(shù)據(jù)的傳送等領(lǐng)域。

1 串口通信的基本原理
在嵌入式系統(tǒng)中，串口是一種重要的數(shù)據(jù)通信接口， 其本質(zhì)功能是，在CPU和串行設(shè)備間進行編碼轉(zhuǎn)換。當CPU 通過串行端口發(fā)送數(shù)據(jù)時，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位串；接 收數(shù)據(jù)時，串行的位串被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序使用串 口進行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請要求 (打開串口)，通信完成后必須釋放資源(關(guān)閉串口)。
典型地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：(1)地線；(2)發(fā)送數(shù)據(jù)線；(3)接收數(shù)據(jù)線。串口通

圖1  通信命令格式  

圖2  通信時序
信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個互相通信的端口，這些參數(shù)必須一致：波特率衡量通 信速度，表示每秒鐘傳送的bit的個數(shù)；數(shù)據(jù)位衡量通信中 實際數(shù)據(jù)位寬，標準值是5、7和8位。如何設(shè)置取決于具體 需求；停止位用于表示單個包的最后一位，典型值為1，1.5 和2位，停止位不僅僅表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，還能提供計算機校 正時鐘同步的機會；奇偶校驗位是串口通信中一種簡單的檢 錯方式，有四種檢錯方式——偶、奇、高和低，也可以沒有 校驗位。

2 異步串行通信協(xié)議的設(shè)計
通信協(xié)議是通信雙方共同遵守的約定，對同步方式、 傳送速度、傳送步驟及檢糾錯方式定義等問題做出統(tǒng)一規(guī) 定。
在 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 單 片 機 間 通 信 一 般 采 用 異 步 串 行 通 信，傳統(tǒng)的異步串行通信協(xié)議一般采用如圖1所示的命令格 式，命令消息括幀頭(命令碼)、 數(shù) 據(jù) 場 、 校 驗 場 ；響應(yīng)消息為ACK信號 ( A C K 取 不 同 的 值 ， 例 如 ： 正 確 響應(yīng) ACK = 0x55； 錯 誤 響 應(yīng) A C K =0 x A A ) 。 由 于 串 口 通信存在很多不可靠因素，例如由

表1  通信命令
電磁干擾造成幀字節(jié)丟失、 傳輸誤碼， 以及因主從單片機處理繁忙而造成響應(yīng)延遲等。傳統(tǒng)的通信協(xié)議難以克服由單片機處理
繁忙造成的響應(yīng)延遲現(xiàn)象。如圖2所示，當主芯片發(fā)送[命令1]后，當超過響應(yīng)等待時間而沒有得到ACK時，主芯片發(fā)送[命令2]，在下一個響應(yīng)等待時間內(nèi)將收到兩次[ACK]，這種

圖4  響應(yīng)處理程序  

圖5  整體軟件設(shè)計
現(xiàn)象將導致主芯片做出錯誤判斷，調(diào)用錯誤的程序分支，嚴 重影響系統(tǒng)的正常運行。因此，本文在通信協(xié)議的設(shè)計中， 采用響應(yīng)消息加權(quán)的方法，提高了通信的可靠性，保證系統(tǒng) 正常運行。
本 文 設(shè) 計 的 響 應(yīng) 消 息 加 權(quán) 式 通 信 協(xié) 議 ， 實 現(xiàn) 方 式 如 下：通信協(xié)議采用如圖3所示的格式，命令消息和響應(yīng)消息 采用相同的幀格式，包括幀頭(命令碼)、數(shù)據(jù)場、校驗場； 其中響應(yīng)消息幀頭 = 命令消息幀頭的加權(quán)(RPS = CMD | 0x80 或RPS = CMD | 0xC0)，主控芯片通過對響應(yīng)消息的處理， 識別出響應(yīng)的類型。通信協(xié)議各數(shù)據(jù)場的定義如表1所示， 本協(xié)議由nByte(n是用戶自定義的任意正整數(shù))構(gòu)成，D1[7：6]為通信類型，D1[5：0]為指令碼，D2～Dn-1為數(shù)據(jù)場，Dn為校驗場。
程序處理過程如圖4所示，當接收到響應(yīng)時，響應(yīng)處理 程序?qū)憫?yīng)消息幀頭進行0xC0位與運算，還原并判斷響應(yīng) 類型；同時對幀頭進行0x3F位與運算，還原出當前響應(yīng)對應(yīng) 的命令消息，然后調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序執(zhí)行。例如，主芯

圖6  硬件原理框圖
片發(fā)送命令消息，命令消息幀頭D1=0x02，從芯片正常接收 并進行加權(quán)響應(yīng)，響應(yīng)消息幀頭D1=0x82，主芯片再經(jīng)過位 與運算判斷響應(yīng)類型并還原出與之相對應(yīng)的命令消息幀頭
0x02。然后調(diào)用相應(yīng)的程序執(zhí)行，完成一次通信周期。

3 程序設(shè)計
在設(shè)計通信程序時充分考慮了主從單片機在通信過程 中的不確定因素，因此通信協(xié)議采用加權(quán)響應(yīng)式通信協(xié)議， 克服主從單片機處理繁忙而造成的響應(yīng)延遲；對于通信過程 中因干擾而導致通信數(shù)據(jù)丟失、傳輸誤碼等現(xiàn)象，可以在程 序設(shè)計時采用超時定時、計數(shù)重發(fā)等方法，保證通信的準確 性。軟件程序設(shè)計中，主控芯片采用芯片內(nèi)部的串口2，通信波特率為9600 bit /s，8 位數(shù)據(jù)，1位停止位。軟件編寫嚴格按照異步通信的時序進行，其響應(yīng)處理程序流程如圖4。

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)及應(yīng)用
本協(xié)議的設(shè)計初衷是用于一款內(nèi)嵌DTMB接收功能的便 攜式DVD產(chǎn)品的操作控制芯片與DTV解碼芯片間的通信服 務(wù)。該產(chǎn)品為商業(yè)性產(chǎn)品，質(zhì)量是產(chǎn)品的生命。為保證產(chǎn)品 質(zhì)量，提高通信的可靠性，在設(shè)計異步串行通信時采用本文 的響應(yīng)加權(quán)式通信協(xié)議。系統(tǒng)通信控制實現(xiàn)如圖5。
硬件系統(tǒng)由主控芯片和DTV解碼芯片構(gòu)成，原理框圖如圖6所示。主控芯片內(nèi)部串口2的收發(fā)引腳與DTV解碼芯片 的收發(fā)引腳相連接。主控芯片在整個通信過程中起主導作用，用于發(fā)起通信與判斷DTV解碼芯片的響應(yīng)。DTV解碼芯片接收主控芯片發(fā)送的命令，解析后進行相關(guān)的動作。

5 結(jié)束語
本協(xié)議的設(shè)計初衷是為了克服主從單片機處理繁忙而 造成的響應(yīng)延遲現(xiàn)象，同時又具有可擴展性，其中數(shù)據(jù)場的 字節(jié)長度可以由用戶自行定義。將本協(xié)議應(yīng)用到DVD產(chǎn)品的通信控制時，經(jīng)過測試，在波特率9600bit/s下可以成功通信；并且本協(xié)議能保證主控 端正確識別響應(yīng)類型以及還原出當前響應(yīng)相對應(yīng)的命令消 息，保證主控芯片做出正確的處理，從而保證整個系統(tǒng)的正 確運行。